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行业观察 | SpaceX公司的商用塑封器件质量保证方法及流程

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行业观察 | SpaceX公司的商用塑封器件质量保证方法及流程

2019-09-11 10:18

  近几年,SpaceX公司成功实现了火箭回收、商业卫星发射、空间站往返货运等任务,在商业航天领域取得了重大突破。作为一家成功的商业公司,SpaceX公司将生产成本与可靠性充分的结合了起来,并在其宇航工程中允许大量使用商用塑封器件,从而降低成本,加快研制进度。

 

  与宇航级高可靠气密封器件相比,商用塑封器件在成本上具有绝对的优势,甚至在某些性能指标上还优于气密封器件,但对于商用元器件的可靠性并没有系统性的评价体系,在宇航应用方面也缺乏必要性的验证,若直接使用风险很大,因此SpaceX公司针对商用塑封器件应用在宇航领域,制定了详细的质量保证措施,以保证其在宇航使用的可靠性。

 

  SpaceX公司对于商用塑封器件质量保证措施主要分为选型控制、原厂试验、筛选试验和考核试验等4个方面,与NASA传统的流程和方法相比,主要区别是简化生产厂家的元器件试验而增加用户的板级试验,并结合宇航工程的工作任务设计相关的试验和接收判据。

 

 1 质量保证过程和方法

 

  SpaceX公司基于商业航天的应用背景,制定了商用塑封器件质量保证的试验流程(图1和图2所示),在试验项目上采取了裁剪和针对性的设计:器件级只进行100%筛选试验,并重点把单型号器件进行电装后纳入到筛选试验中,如板级温度循环、板级老练、板级外部目检等项目,通过后再进行多品种器件的板级试验。最终试验合格的单板可以作为飞行件交付单机。

  

 

图1 SpaceX公司商用塑封器件质量保证试验流程

  

 

图2 SpaceX公司商用塑封器件板级考核试验流程

 

  从试验流程和方法上来看,SpaceX公司采用了器件级和板级试验相结合的“批筛选试验+单板考核试验”的质量保证模式,由试验结果决定是否接收,逐步淡化对制造商的资质和生产过程的控制要求。

 

  这样做的优点非常明显,就是可以按照常规的商业模式进行器件采购,只要满足质量要求的元器件都可以使用,不必局限在宇航和军用认证的优选元器件目录内进行选型。此外,从试验项目的设计来看,增加了与传统器件级筛选要求不同的板级电性能测试、加电温度循环、板级稳态寿命等试验项目,并结合单机的应用要求制定板级接收和板级考核试验项目,而不再进行器件级考核试验。

 

 2 应用风险分析及解决措施

 

  SpaceX公司会根据具体宇航任务的环境和应用条件来考核元器件的可靠性,比如火箭或货运飞船都是近地轨道、短周期的任务,主要考核器件承受发射阶段的机械冲击、振动和恒定加速度的能力,而不需要器件考核抗辐射、长寿命和性能退化等问题,同时商用塑封器件在温度范围窄、纯锡工艺等禁限用工艺方面也具有可行的解决措施,总体上是可以选用的。

 

  (1)温度范围及过程控制

 

  商用塑封器件应用在宇航任务中,与宇航高可靠器件相比主要存在工作温度范围窄(商用级在0℃~+70℃、工业级在-40℃~+85℃,均达不到军用级-55℃~+125℃的温度范围),器件的生产制造技术状态情况未知,也缺乏权威机构的质量可靠性评价等问题。

 

  因此,SpaceX公司会根据相关研究报告或数据评价塑封器件的温度范围是否满足使用环境的温度要求,如按照美国空军太空司令部AFSPC Manua191-710中给出的测量验证数据,确定发射阶段火箭舱内的实际环境温度范围为-37℃~+71℃,因此选择工作温度范围在40℃~+85℃的工业级商用塑封器件是能可行的。另外,SpaceX公司还认为只要通过了如ANSI/GEIA-STD-0002-1或AEC-Q100等行业规范考核的商用塑封器件,与美军标MIL-PRF-38535的质量保证流程类似,因此采购这类商用塑封器件是能够满足宇航任务的高可靠要求。

 

  (2)纯锡材料

 

  纯锡材料一直是宇航用禁限用工艺。但环保无铅要求,使商用塑封器件的引线镀层一般为无铅的纯锡材料,导致极易生长锡须,虽然速度非常缓慢,但始终存在可靠性隐患,而且纯锡材料在低温环境下原子间的空间变大,容易形成结晶态的灰锡,最终还会导致引线或焊点断裂。

 

  管脚表面涂覆层为纯锡的器件,目前防止锡须生长,唯一可行的方法是进行热浸渍铅锡焊料来处理。对于火箭和飞船等短期宇航任务,SpaceX公司认为锡须的风险是已知、可接受的,没有必要对塑封纯锡引脚进行铅锡焊料的浸焊来更换涂覆层,以免引入更大的未知风险。此外,數形涂覆技术也能够延缓和减少锡须的生长。SpaceX公司在NASA的“商业轨道运输服务”(COTS)和“商业补给服务”(CRS)计划中,对猎鹰-9火箭和“龙”飞船就是对相应的部件采用了加厚三防漆涂覆以达到缓解锡须生长的目的。

 

  NASA 的元器件政策文件NPD 8730.2规定,如果能够按照GEIA-STD-0005-2中2C等级进行风险控制,提供2种以上缓解锡须、锡疫问题的措施及相关证明材料,也可以选用纯锡材料引线的商用塑封器件。

 

  (3)吸潮特性

 

  塑封材料的吸潮特性会导致产品在电装过程中,塑封器件封装的内部水分因加热汽化后体积膨胀,从而导致器件内部发生分层、破裂现象,俗称“爆米花效应”。同时,空气中的水汽结合封装内部的游离离子杂质,还会导致键合系统发生腐蚀。 SpaceX 公司严格按照行业标准J-STD-033的要求,对塑封器件进行MSL(潮湿敏感度)评价,确保器件的贮存、使用、运输均满足宇航任务要求。

 

 3 对传统质量保证体系的改进

 

  SpaceX公司商用塑封器件质量保证方法是以用户角度来实施质量保证,简化器件级试验项目,增加了板级试验项目,而系统可靠性和宇航适用性的质量保证要求并未降低。其主要的改进方面主要体现在元器件选用准入措施、禁限用工艺处理、抗辐照试验和筛选考核试验流程设计等4个方面。

 

  (1)选用准入措施

 

  SpaceX公司元器件的选用主要是基于具体宇航任务的适用性来建立准侧,如根据商业航天任务的电子系统的温度范围进行选用,不必局限于采购军品器件。工业级、汽车级等民用行业质量控制水平稳定的商用塑封器件只要是通过了针对性的试验考核,均可作为商业航天的候选元器件。

 

  (2)禁限用工艺的应对措施

 

  对于商用塑封器件中存在的宇航禁限用工艺问题,不在一票否决,而是采用详细的风险分析、工艺再处理、外部加固等多种方式评价其是否可控、是否可以继续应用。例如,锡须生长、吸潮等工艺问题,SpaceX公司进行风险分析后,采取如锡铅焊料浸焊、增加三防漆厚度、电装前烘焙等针对性措施。

 

  (3)抗辐照试验的必要性分析

 

  元器件辐射损伤的失效概率与轨道高度、在轨时间密切相关,而火箭发射和低轨道任务涉及的空间环境较好,电子系统的单机开机时间短,辐射效应引起任务失败的风险极低,因此SpaceX公司在质量保证流程上,会根据宇航任务的应用条件来选用商业塑封器件是否需要进行抗辐照试验评估,而不是每次宇航任务必须要考核器件的抗辐照水平。截至目前,在SpaceX公司的商业航天任务中,没有出现因元器件辐射效应引起单机失效的相关报道。

 

  (4)试验方案的设计

 

  SpaceX公司在试验方案设计方面,会充分考虑实际任务要求来裁剪非必要的器件级试验,并结合应用条件来增加板级筛选试验和板级考核试验。

 

  结束语

 

  美国商业航天的代表SpaceX公司,已经形成了一套有别于NASA、ESA的质量保证方法。因此,可以参考借鉴SpaceX公司的成功经验,在选用商用塑封器件时,以用户要求和任务需求为前提进行选用分析和结构分析,并针对已知的可靠性隐患采取相应的缓解措施,从而设计适合的器件级筛选试验,并与多品种元器件电装后的板级筛选和板级考核试验相结合。实践证明,SpaceX公司运用该方法在现阶段有效保证了其火箭、无人货运飞船等商业航天任务中元器件的应用可靠性。

 

  封面图片来源:SpaceX

  参考文献:

  [1]张大宇,宁永成,王熙庆, 等.SpaceX公司商用塑封器件质量保证措施[J].航天器工程,2019,28(3):92-98.

  [2]朱恒静.塑封器件宇航应用的质量保证方法[J].电子产品可靠性与环境试验,2008,26(5):9-12.

  [3]朱恒静.航天器用高性能塑封器件的板级鉴定方法[J].航天器环境工程,2008,25(1):87-90.

  [4]Cooper, M..2010PEM Standard Final Report[R].

  [5]Mark Cooper.OneNASA PEM qualification standard:comparison of JPL and GSFC standards[R].Pasadena,California:NASAJPL,2009

  [6]Noman A Siddiqi,Chris Green,Bruce meinhold.EEE-INST unified and updates(NEPP) program[R].Greenbelt ,Maryland:NASAGSFC,2018

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